近日，晶体材料国家重点实验室王书华教授、刘宏教授团队在锂金属负极上原位构建了一层人工有机无机复合保护层，该保护层有效延长了锂金属在空气中的稳定性时间，并抑制了电池在循环过程中的枝晶生长问题。该成果以题为“Promoting Air Stability of Li Anode via an Artificial Organic/Inorganic Hybrid Layer for Dendrite-Free Lithium Batteries”在国际期刊Advanced Energy Materials（IF=29.698）上发表。文章第一作者为晶体材料国家重点实验室博士研究生李厚祯，文章通讯作者为山东大学王书华教授、陈皓教授、刘宏教授，山东大学为第一作者和第一通讯单位。
锂金属因具有超高的理论比容量（3860 mA h g-1）和最低氧化还原电位(与标准氢电极相比为-3.04 V)，被认为是满足高能量密度电池系统最有前途的电池负极。然而，金属锂反应活性较高，对空气不稳定，限制了其储存、运输、实际应用；于此同时，电池循环过程的枝晶生长也会造成锂金属电池严重的安全问题。为解决上述问题，研究团队将锂浸入0.1M三氟甲烷磺酸锌溶液中预处理1 min，设计了一种简单易行的提高锂负极空气稳定性和抑制锂负极枝晶的方法：通过锂和三氟甲烷磺酸锌的反应，在锂负极表面原位构筑了一层含LiF、Zn、LiZn合金、–CF3等组分的有机无机复合保护层，该保护层赋予锂负极具有4 h的高空气稳定性，并能诱导锂的均匀沉积。DFT理论计算及热力学分析确定了吸附–CF3基团的Zn（–CF3–Zn）和吸附–CF3基团的LiF（–CF3–LiF）可以有效降低空气中O2、H2O、CO2在锂表面的吸附，从而阻止了空气对锂的过度腐蚀，有效延长了电池的循环寿命。得益于设计的有机无机复合层，对称电池在电流密度2 mA cm−2，锂沉积量为1 mA h cm−2条件下，表现出350 h的循环稳定性（使用无添加剂的1MLiTFSI/DOL/DME作为电解液）；在磷酸铁锂（LFP）正极高负载量（10 mg cm−2）条件下，Li||LFP全电池在1 C下循环超过300圈；具有保护层的锂负极在空气中暴露4 h后组装的对称电池，在电流密度0.5 mA cm-2，沉积量1 mA h cm-2的条件下，对称电池循环仍超过600小时。本工作中设计的有机无机复合保护层及其作用机制分析有望为提高锂负极的抗空气腐蚀能力、开发高电化学稳定的锂金属电池提供新的思路。
该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东大学齐鲁青年学者项目、中国科协“青年人才托举工程”、山东省高等学校“青创科技支持计划”和晶体材料国家重点实验室的大力支持。
相关连接：https://doi.org/10.1002/aenm.202301023
